美國(guó)和新加坡的研究人員們攜手合作，利用一種小型背包來(lái)刺激甲蟲(chóng)的肌肉，使其得以用無(wú)線的方式遠(yuǎn)程控制巨型花甲蟲(chóng)(可能比飛蛾更大)的飛行。這項(xiàng)研究的目的是希望用在發(fā)生自然災(zāi)害后搜救幸存者，就像美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)的機(jī)器人挑戰(zhàn)賽(Robotics Challenge)一樣，但它也催生了更多針對(duì)機(jī)器人以及軍方遠(yuǎn)程控制昆蟲(chóng)的其他應(yīng)用。

 

“在救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)利用小型昆蟲(chóng)的概念一直相當(dāng)吸引人。例如，配備簡(jiǎn)單溫度傳感器的昆蟲(chóng)爬行或飛過(guò)碎石堆進(jìn)行偵察，”負(fù)責(zé)主導(dǎo)這項(xiàng)研究的美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授Michel Maharbiz表示。

研究人員觀察手中的花甲蟲(chóng)及其背包等細(xì)節(jié)。

 

事實(shí)上，從第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，美軍一直試圖透過(guò)遠(yuǎn)程控制動(dòng)物攜帶麥克風(fēng)來(lái)進(jìn)行偵察。但直到20世紀(jì)電子產(chǎn)品和控制機(jī)制發(fā)展得更先進(jìn)以后，才足以使相關(guān)計(jì)劃順利進(jìn)行。特別是由于微型處理器、傳感器與致動(dòng)器可內(nèi)建于僅有幾克重的毫米級(jí)無(wú)線“背包”后，如今在控制飛蟲(chóng)方面已取得了實(shí)質(zhì)的進(jìn)展。

 

當(dāng)然，今日的研究人員們已經(jīng)證明這種動(dòng)物控制能夠挽救人們的生命，但目前的資金主要來(lái)自政府資助。例如，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)，以及新加坡三軍總長(zhǎng)(CDF)為主導(dǎo)的新加坡南洋助理教授(NAP)協(xié)會(huì)與科技研究局(A*STAR)。

從飛行中的甲蟲(chóng)看來(lái)，在它身上的背包重量夠輕，不至于為其帶來(lái)壓力。

 

研究人員得以在遠(yuǎn)程控制這種巨型花甲蟲(chóng)的關(guān)鍵在于找到了可在其飛行中控制精密調(diào)整轉(zhuǎn)向的肌肉。首先，研究人員們制作了一個(gè)超小型的背包，用于監(jiān)測(cè)其自然的飛行模式以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)向的肌肉刺激。在此過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)還修正了1800年以來(lái)生物學(xué)書(shū)籍中認(rèn)為肌肉只用于著陸時(shí)控制翅膀收合的論點(diǎn)。然而，透過(guò)偵測(cè)飛行中的肌肉，研究人員確認(rèn)了肌肉的第二項(xiàng)功能在于精確地控制飛行的轉(zhuǎn)向。

甲蟲(chóng)在干涸的河床之間覓食。

 

現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)打算在其它動(dòng)物所上采用相同的途徑——先監(jiān)看其動(dòng)作模式，掌握其肌肉的功能，然后再設(shè)計(jì)一款可依需要控制功能的背包。“我的實(shí)驗(yàn)室主要著重于蝗蟲(chóng)，這項(xiàng)研究是由博士后研究員Joshua van Kleef所主導(dǎo)，”Maharbiz表示。

花甲蟲(chóng)在充滿綠葉的自然棲息地爬行。

 

前幾代的生物學(xué)家并不了解動(dòng)物的每一塊肌肉是如何運(yùn)作的——尤其是實(shí)現(xiàn)飛行的肌肉，當(dāng)時(shí)也還沒(méi)有無(wú)線技術(shù)來(lái)協(xié)助自由飛行。相反地，由于肌肉運(yùn)動(dòng)彼此之間相互牽制，使其幾乎無(wú)法區(qū)隔出自然的肌肉運(yùn)動(dòng)與人為的補(bǔ)償動(dòng)作。因此，在這項(xiàng)研究中，生物學(xué)家稱這種無(wú)線背包為Mecynorrhina巨型花甲蟲(chóng)的第三腋片(3Ax)肌肉。

 

巨型花甲蟲(chóng)的重量約8克，配備電池的整個(gè)無(wú)線背包重量約僅1.5克。此外，背包中還裝載了6個(gè)連接至甲蟲(chóng)光瓣與飛行肌肉的電極，這些組件都利用1顆3.9V的鋰電池供電，同時(shí)僅以大約1,000Hz的低頻信號(hào)傳送至背包。

 

由加州柏克萊大學(xué)與新加坡南洋理工學(xué)院(NTU)攜手進(jìn)行的這項(xiàng)“賽博格”(Cyborg；機(jī)械化有機(jī)體)昆蟲(chóng)研究，透過(guò)無(wú)線射頻訊號(hào)記錄昆蟲(chóng)飛行與轉(zhuǎn)向時(shí)的肌肉數(shù)據(jù)，并利用這些信息來(lái)改善在遠(yuǎn)程控制飛行轉(zhuǎn)向的精確度，不僅讓研究人員得以更精確地控制昆蟲(chóng)的飛行與轉(zhuǎn)向，同時(shí)也啟發(fā)了更多新應(yīng)用。